實驗名稱：水下聲學器件定向發射性能實驗

研究方向：聲學超材料、五模超材料、定向發射

實驗目的：驗證水聲環境下基于五模材料填充的異形龍伯透鏡器件的定向發射性能。

測試設備：信號發生器，ATA-214功率放大器，聲源換能器、水聽器、數據信號采集系統等。

實驗過程：基于聲學發射和接收的互異性，本次實驗選擇對定向接收性能進行實驗。實驗測量系統布置方面，聲學器件以及測量器材布置如圖一所示，待測的水下聲學器件放置于水深350mm處，器件左側同一深度上放置有換能器，通過連接信號發生器以及ATA-214功率放大器對揚聲器的發射信號進行控制。器件后方同一深度上放置懸掛一水聽器，由步進電機進行控制，使水聽器在水池寬度方向進行橫移，水聽器同數據信號采集系統連接，水聽器將接收到的聲信號轉化為電信號，最終在電腦中利用數據分析軟件進行采集和分析。

圖一水下實驗布置示意圖

圖二實際水下實驗布置圖

實驗裝置本次器件定向發射實驗是在位于華中科技大學船舶與海洋工程學院的結構實驗室內的水池進行的，實驗室內環境噪聲較低。該實驗需要滿足近似平面波條件和穩態散射條件。本次實驗的脈沖正弦波頻率為40kHz，波長為37.5mm，約為水池深度的百分之五，基本滿足近似平面波條件。穩態散射條件方面，本次實驗采用脈沖正弦波對模型進行發射，并在采集到的回波中分析濾波后的波形部分。水下聲學器件模型最長處為100mm，最寬處為114mm，底邊寬度為62mm，高度為10mm，上下放置有兩片厚度為1mm的薄片。該器件所用的材料為光敏樹脂，其密度為1140kgm-3，楊氏模量為2.2GPa，泊松比為0.4。超材料幾何參數方面，晶胞最大長度a=2mm，空腔的寬度d=0.201mm，相鄰空腔的角寬度ɑ=60°。

圖三水下聲學器件示意圖

實驗結果：針對水下環境異形龍伯透鏡器件的聲波接收實驗，對測量數據進行處理，得到20kHz至40kHz頻率范圍內的頻域信號。分別對23kHz、27kHz、31kHz以及34kHz四個頻率下，器件定向接收的聲壓增幅曲線進行了繪圖，并同相應的有限元仿真結果進行了對比，如圖四至圖七所示。分析曲線可以發現，實驗和仿真結果的曲線趨勢較為接近，中部測點（器件底邊中部）處具有峰值，部分測點處實驗和仿真結果在數值上有一定差異。波峰半能量寬度方面，實驗值略大于仿真值，23kHz附近實驗值較大，34kHz附近實驗值同仿真值對應較好。總體上分析，實際器件在23kHz至34kHz范圍內實現了對平面波的匯聚，根據聲學發射和接收的互異性，器件聲學定向發射的特性通過該實驗得到了間接證明，在實驗上證明了該水下定向發射器件設計的有效性。

放大器在該實驗中發揮的效能：精準可控功率放大器